La fundición de metales es un proceso de fabricación que implica fundir metales y verterlos en moldes para formar formas específicas. Se utiliza principalmente en la industria manufacturera para producir diversas piezas, pero también en bellas artes como la escultura y la joyería. En 2020, el mercado de la fundición de metales de hierro y acero se valoró en 145.970 millones de dólares. Se estima que el mercado crecerá a un CAGR del 5,4% de 2021 a 2027.
El proceso de fundición de metales se remonta a hace más de 7.000 años. A lo largo de los siglos, el proceso de fundición se ha desarrollado y perfeccionado continuamente. Hoy en día, permite producción repetible de formas muy complejas, algunas de las cuales serían imposibles de conseguir mediante cualquier otro método.
En la actualidad su uso está tan extendido que es imposible evitar los productos de fundición, independientemente del tipo de entorno en el que se encuentre. Algunos ejemplos de productos de metal fundido son los bloques de motor, las bocas de incendios, los motores, las herramientas, los semáforos, las arquetas, las tuberías, las válvulas y diversos accesorios.
En este artículo, exploraremos el proceso de fundición de metales para entender qué es, explorar sus tipos y cómo funcionan.
- La fundición es un proceso de trabajo del metal que implica verter metal fundido en moldes para dar forma a los metales de la manera deseada.
- La fundición de metales permite la producción de piezas que serían extremadamente difíciles de fabricar utilizando otros métodos tradicionales de mecanizado.
- Existen dos tipos principales de procesos de fundición de metales: la fundición en molde fungible y el proceso de fundición en molde no fungible.
- La fundición en arena tiene la mayor cuota de mercado de todos los procesos de fundición, con un 45%.
- Cada proceso de fundición de metales tiene sus pros y sus contras. Utilizar el proceso de fundición adecuado para cada aplicación específica es esencial para producir el producto de máxima calidad.
¿Qué es el casting?
El proceso de fundición permite fabricar piezas metálicas con las formas deseadas calentando los metales por encima de su temperatura de fusión y vertiendo el metal líquido en moldes. El metal fundido fluye hacia las cavidades vacías, ajustándose a la forma del molde. Una vez que el metal se enfría y se solidifica, se retira del molde y se envía al postprocesado. En el postprocesado, se mejora el acabado y el aspecto de la superficie y se aplican los revestimientos protectores necesarios.
La fundición de metales sólo está limitada por la imaginación del fabricante. Puede formar formas muy intrincadas.
Se prefiere la fundición para geometrías complejas porque es más rentable y el proceso es más sencillo que, por ejemplo, el mecanizado CNC en esos casos. Pero también se utiliza mucho para las formas más sencillas por su rapidez y su gran capacidad de producción.
Los métodos modernos de fundición pueden producir formas casi netas, reduciendo significativamente la necesidad de desbarbado y otras operaciones posteriores al proceso.
Proceso de fundición de metales
La razón por la que el proceso de fundición de metales se hizo tan popular fue su inherente simplicidad. No había necesidad de maquinaria moderna ni de procesos complejos para obtener productos acabados.
De ahí que incluso los ejércitos antiguos pudieran aprovecharla para la fabricación de armas y herramientas. Pero con el paso de los años, los avances en la fundición han añadido algunos pasos al proceso para garantizar que los productos finales tengan la mejor calidad posible. Veamos el proceso típico de fundición de metales que se utiliza hoy en día en las industrias.
Paso 1: Creación del molde
La creación del molde es posiblemente el paso más crucial del proceso de fundición de metales. La calidad del molde repercute directamente en la calidad del producto acabado. El método de creación del molde varía en función del tipo de metal, la geometría de la pieza, la capacidad de producción y el acabado deseado. Una vez decididas estas especificaciones, se pueden determinar los materiales adecuados y el método.
El molde se crea como una impresión negativa de la pieza deseada. Está hecho de un material que no sólo puede soportar las altas temperaturas del material fundido, sino también separarse fácilmente de la pieza metálica sólida tras el enfriamiento. Algunos de los materiales utilizados para el molde son la arena, el yeso, la lechada refractaria y el líquido cerámico. Algunos moldes sólo pueden utilizarse una vez, mientras que otros pueden utilizarse repetidamente.
Paso 2: Fundición y vertido del metal
El metal de colada se calienta por encima de su punto de fusión para crear un líquido que fluya libremente. El líquido debe estar libre de contaminantes y escoria en la medida de lo posible. Se pueden añadir dispositivos al molde para evitar la entrada de escoria en la pieza fundida. El metal fundido se vierte en una cubeta de vertido situada en la parte superior del molde. A continuación, el metal licuado entra en el bebedero (canal vertical) y se distribuye en la cavidad del molde a través de canaletas (canales horizontales) y compuertas (entradas para las cavidades).
Los metales menos viscosos pueden fluir fácilmente en la colada y formar patrones más finos. Los metales de alta viscosidad presentan un flujo no turbulento, lo que ayuda a eliminar defectos como la porosidad. La velocidad de solidificación y la fuerza motriz también se ven influidas por la viscosidad del metal fundido.
Paso 3: Retirada del metal fundido del molde
En el caso de un molde de un solo uso, se rompe el molde para recuperar la pieza fundida de metal.
En el caso de la fundición en molde permanente, existen varias disposiciones de apertura en el molde para acceder a la pieza fundida y recuperarla. A continuación, el molde puede reutilizarse en los siguientes lotes.
Paso 4: Acabado y postprocesado
La pieza fundida extraída del molde no puede utilizarse en su estado actual. Cuando el metal fundido se vierte en el molde, el metal líquido del bebedero, las canaletas, las bandas y los respiraderos también se solidifica. Todos estos apéndices se cortan. También puede ser necesario el acabado de la superficie.
A continuación, la pieza se envía para su limpieza y revestimiento si la aplicación lo requiere.
Tipos de procesos de fundición
Las piezas de fundición pueden crearse a partir de diversos metales como el aluminio, el zinc, el acero y el hierro. Cada metal posee unas características únicas, lo que exige ajustes en la técnica de fundición para conseguir el mejor producto posible.
La técnica de fundición también depende de parámetros como la composición de la aleación, la geometría de la pieza, el coste, la calidad final deseada, el tamaño de la tirada de producción y los criterios de rendimiento.
Los procesos de fundición se dividen en dos: el primero es basado en la vida útil del molde (fundición de moldes fungibles y no fungibles) y la segunda es el método de inyección de aleaciones (fundición por gravedad, presión o vacío). En este artículo, clasificaremos los procesos de fundición en moldes fungibles y no fungibles.
Proceso de fundición en molde fungible
Los procesos de fundición en molde fungible utilizan moldes que sólo pueden utilizarse una vez. Estos moldes se utilizan en diversos procesos de fundición, como la fundición en arena, la fundición en coquilla y la fundición a la cera perdida, entre otros. Sin embargo, hay que tener en cuenta que estos moldes no siempre pueden desecharse tras su uso. Los fabricantes pueden intentar recuperar los moldes cuando es posible reformarlos.
Veamos más de cerca algunos de los procesos en los que se utilizan moldes de fundición no reutilizables:
Fundición en arena
Proceso de fundición en arena
En la fundición en arena se utiliza arena como material del molde. La arena es barata, fácil de conseguir, maleable y soporta el calor elevado mejor que la mayoría de los materiales. La arena verde (húmeda) y la arena seca son los materiales más adecuados para el proceso de fundición.
Se crea un molde de arena con la forma negativa de la pieza deseada y luego se vierte en él el metal fundido. Una vez que el metal se solidifica, se retira la arena para recuperar la pieza fundida.
La fundición en arena es uno de los métodos de fundición más antiguos. Sigue siendo muy popular en la actualidad debido a su sencillez, versatilidad y asequibilidad.
La fundición en arena puede producir productos cuyo tamaño oscila entre unos pocos centímetros y decenas de metros. Los productos pueden pesar tan poco como 75 g y llegar hasta varias toneladas.
Sin embargo, el moldeo en arena no proporciona el mejor acabado superficial y, por lo tanto, es más adecuado para productos de mayor tamaño que puedan refinarse posteriormente para obtener un acabado más liso.
El vaciado en molde de escayola es un tipo de método de vaciado en arena en el que se utiliza escayola para construir el molde en lugar de arena.
Moldeo en concha
Proceso de creación del molde de concha
El moldeo en coquilla es un tipo de proceso de fundición en arena. Sin embargo, en lugar de arena suelta, la fundición del metal se produce dentro de una cáscara de arena dura y de paredes finas.
Para crear este caparazón, primero hay que crear un patrón. Un patrón es un objeto que tiene la forma de la pieza deseada. El patrón se calienta y se coloca en la arena mezclada con un aglutinante de resina termoendurecible. La arena que rodea el patrón adquiere la forma de la pieza y la resina la endurece. La cáscara se sigue curando en el horno. Una vez que el cascarón está listo, se coloca en el material de cocción y se vierte en él metal fundido. La pieza fundida se recupera al solidificarse.
El moldeo en coquilla ofrece ventajas como una menor necesidad de mano de obra (cuando está automatizado), una mayor capacidad de producción y una mayor precisión dimensional.
Sin embargo, el moldeo en coquilla es ligeramente más caro que el moldeo en arena debido a la resina utilizada. También puede tener una menor resistencia del material y problemas de alta porosidad. Los costes de mano de obra también pueden acabar siendo bastante elevados si el proceso no está automatizado.
Fundición a la cera perdida
Proceso de fundición a la cera perdida
La fundición a la cera perdida, también conocida como fundición a la cera perdida o fundición de precisión, utiliza la cera para crear piezas fundidas precisas de forma consistente.
El proceso comienza con un patrón de cera obtenido mediante matrices metálicas. Se ensamblan varios patrones de cera con compuertas, canales y un bebedero. Esto permite colar varias piezas simultáneamente.
El conjunto de patrones de cera se sumerge o «invierte» en una lechada refractaria que adopta la forma del conjunto.
El patrón de cera, junto con la cubierta de lechada, se calienta a continuación. La cera fluye fuera de la cáscara y puede ser recuperada para su reutilización.
La cáscara de lechada forma entonces el molde para el proceso de fundición. El metal fundido se vierte en el molde, donde se solidifica en la pieza deseada.
La fundición a la cera perdida es muy precisa. Se utiliza para piezas complejas que requieren precisión, como los rotores de los turbocompresores. También proporciona un acabado superficial muy bueno.
Por otro lado, el proceso es más caro que la fundición en arena y el moldeo en coquilla. Tiene limitaciones en algunas características, como el tamaño y la profundidad de los orificios. La fundición a la cera perdida puede ser difícil de ejecutar cuando se trata de machos.
Proceso de fundición de moldes no fungibles
Estas técnicas de fundición utilizan moldes que pueden reutilizarse varias veces. No es necesario preparar un molde nuevo para cada colada, como ocurre con la fundición de moldes fungibles. Esto puede resultar ventajoso para las piezas fundidas que requieren un acabado superficial fino, una gran precisión dimensional y formas complejas.
Los siguientes procesos de fundición pueden clasificarse como no fungibles:
Fundición a presión
Proceso de fundición a alta presión
El proceso de fundición a presión utiliza una matriz metálica para fundir otros metales. La matriz suele estar hecha de aleaciones no ferrosas de aluminio, cobre y zinc, pero también se utilizan matrices de metales ferrosos.
El troqueles de metal son caros de fabricar pero duran mucho tiempo. Esto hace que la fundición a presión sea más adecuada para la producción de grandes volúmenes.
La fundición a presión, en comparación con otras técnicas de fundición de metales, es más adecuada para piezas pequeñas y medianas que requieren un acabado superficial de alta calidad.
Los procesos de fundición a presión son de dos tipos principales: fundición por gravedad y fundición a presión. La fundición a presión por gravedad utiliza la fuerza de la gravedad para llenar el molde con metales fundidos. Los canales y las cavidades del molde están diseñados de forma que permiten que el metal fluya de forma natural hacia las cavidades.
La fundición a presión inyecta metal fundido a alta presión para llenar el molde. Este proceso ofrece una mayor flexibilidad en el diseño del molde, pero es más caro y requiere más habilidad.
La fundición a presión es más adecuada para geometrías complejas, mientras que la fundición por gravedad ofrece mayor valor para diseños más sencillos.
Fundición centrífuga
Proceso de fundición centrífuga
Colada centrífuga utiliza la fuerza centrífuga para fundir piezas circulares. El proceso se utiliza generalmente para crear piezas fundidas de tamaño estándar, como tubos, y no productos acabados.
Como el proceso aprovecha la gravedad y la presión, crea diseños muy finos con una precisión notable.
El metal fundido se introduce por el centro y el movimiento giratorio del molde empuja el metal hacia el borde, formando una forma anular. Añadiendo sucesivamente diversos materiales, es posible fabricar tubos con múltiples capas. Por ejemplo, la fundición centrífuga puede crear tuberías de hierro fundido con un revestimiento de cemento en el interior para evitar la corrosión y la posterior tuberculación.
La fuerza centrífuga también puede empujar metal fundido viscoso en cavidades extremadamente finas. El metal puede moldearse en formas intrincadas y formar diseños complejos. Por ello, este concepto también se utiliza habitualmente para crear joyas.
Las máquinas de fundición pueden ser horizontales o verticales. Las máquinas horizontales son adecuadas para productos largos, como tubos, mientras que las de eje vertical son más apropiadas para productos más cortos, como cojinetes.
La fundición centrífuga ofrece ventajas como no necesitar machos, producir una excelente estructura del grano y no tener limitaciones en cuanto a dimensiones como longitud, grosor de pared y diámetro.
La fundición centrífuga es la mejor alternativa para aplicaciones específicas, como los cilindros de paredes finas. Sin embargo, tiene desventajas como las limitaciones de forma, la imposibilidad de trabajar con diámetros más pequeños y la compatibilidad con aleaciones limitadas. En la fundición centrífuga se acumulan impurezas en el centro, que pueden ser difíciles de eliminar.
Colada continua
Proceso de colada continua
La colada continua, también conocida como colada en cordón o colada en planchón, produce un colada continua de sección transversal constante.
El metal fundido de un horno se vierte cuidadosamente en una artesa, desde la que se transfiere a un molde refrigerado por agua con la sección transversal deseada. El enfriamiento acelera la solidificación del metal fundido.
Mientras el metal se solidifica, también se extrae del molde a través de rodillos, donde se puede enfriar la pieza fundida y darle más forma hasta alcanzar las dimensiones finales. Una vez completada la solidificación, la pieza fundida se corta en dimensiones estándar.
La colada continua ofrece una alta tasa de producción, una mayor precisión, una reducción de los residuos y una mejor estructura del grano.
Sin embargo, el proceso requiere una elevada inversión inicial, y el producto final puede presentar defectos internos y una mala calidad superficial.
Resumen
La fundición de metales es un método competente y rentable para fabricar productos metálicos fiables. Ofrece una amplia gama de procesos. Cada proceso tiene pros y contras que lo hacen adecuado para aplicaciones específicas.
Por ejemplo, la fundición en arena es perfecta para piezas únicas complejas, mientras que la fundición a presión es más apropiada cuando se necesitan productos intrincados a un ritmo de producción elevado.
Los moldes utilizados en la fundición se clasifican en moldes fungibles y moldes no fungibles. Los moldes fungibles se destruyen después de cada uso, como en la fundición en arena, mientras que los moldes no fungibles son más permanentes y pueden durar desde unos días hasta unos años.
La versatilidad de la fundición de metales la convierte en una técnica metalúrgica esencial para diversas industrias, desde la automovilística hasta la aeroespacial, ya que garantiza la alta precisión y la producción repetible de piezas complejas.